超長大管棚的施工技術(shù)

周文章

（中鐵十五局集團第五工程有限公司，河南 洛陽 471002）

1、前言

太原西南環(huán)線晉祠隧道穿越大運高速公路，隧道表覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層，以雜填土、素填土為主，且有地下水，隧道覆土厚度為15米，由于隧道為淺埋段且地質(zhì)條件差，隧道施工時，為減少高速公路地表沉降，設(shè)置了雙層超長大管棚，管棚長140米，為國內(nèi)罕見。

2、工程概況

太原樞紐西南環(huán)線晉祠隧道起訖里程為DK12+425～DK21+265，全長 8840m，設(shè)計為雙線隧道，在DK17+630下穿太運高速，在隧道拱部160?范圍內(nèi)采用φ159mm（壁厚8mm）雙層大管棚超前支護，超長管棚長140米，每層管棚環(huán)向間距0.4m，層間距0.3m，梅花型布置。管棚內(nèi)填充水泥漿，管棚之間架設(shè)小導管，采用φ42、t=3.5mm熱軋鋼管，環(huán)向3根/m，長度4m，搭接2m，施工外插角10?。隧道上半斷面均采用玻纖錨桿穩(wěn)定掌子面，玻纖錨桿垂直掌子面打入，錨桿長度為12m，錨桿每列間距60cm，行間距80cm，HW175型鋼間距0.5m/榀。在管棚工作面設(shè)置管棚工作井，在對面DK17+552.5-DK17+560段設(shè)置接受豎井，滿足超長管棚的施工及安裝要求。地下水位位于仰拱上部，且部分穿越砂層，該處在施工上半斷面時采用旋噴樁止水帷幕進行堵水預(yù)處理，開挖至仰拱應(yīng)及時封閉成環(huán)。為減少地表沉降采用CRD法開挖施工。

3、施工方案及方法

3.1 機具選擇

管棚長度140m，采用型號：FDP-28B水平定向管棚鉆機，一次性打設(shè)。

3.2 管棚參數(shù)

（1）鋼管布設(shè)在圓心角為140°的隧道拱部；

（2）鋼管環(huán)向間距為40cm；層間距30cm；

（3）第一層管心與襯砌設(shè)計外廓線間距為50cm；

（4）傾角：水平位置仰角0.8°(包括路線縱坡)；

（5）鋼管施工誤差：徑向不大于20cm；

（6）管棚長度為140 m，熱軋無縫鋼管Φ 159mm，壁厚8mm，節(jié)長3m、6m。

3.3 精度要求

管棚垂直位置精度<0.5%，管棚左右位置精度<0.25%。

3.4 施工工藝流程：

工作井基底基礎(chǔ)打造→三通一平→人員設(shè)備進場→鋪設(shè)"H"鋼軌道→鉆機平臺搭設(shè)→設(shè)備組裝調(diào)試→（埋設(shè)孔口管→安裝密封裝置鉆透砼殘留層）→調(diào)試鉆機（方位、仰角）→鉆具組裝進孔→棚管位置、角度檢測→如有偏斜進行糾偏→檢測沖洗液循環(huán)→鉆進→回次加尺、接口補焊→孔斜測量（校正）→鉆進→至設(shè)計深度終孔→管內(nèi)、外注漿→如有需要二次壓漿→移至下一孔位。

3.5 施工方法

根據(jù)本工程的工程地質(zhì)，水文地質(zhì)條件，施工場區(qū)環(huán)境等，為控制施工精度成功單次打設(shè)超長管棚，必須選擇"有線儀器導向、一次性跟管鉆進法"，成孔和埋設(shè)管棚管一次完成。該工法開孔前根據(jù)設(shè)計鉆進軌跡，對垂向和水平方向分別給于不同的糾偏角（值）；有線導向儀器監(jiān)控，楔形板鉆頭糾偏。保證實際鉆進軌跡以較小的偏差向設(shè)計軌跡回歸。為了選定工程技術(shù)參數(shù)，探索鉆進偏斜規(guī)律，在正式施工前，須進行工藝試驗。即先打1-2個試孔，搜集獲取地層對鉆進質(zhì)量、進度的影響規(guī)律，孔內(nèi)涌水、涌砂規(guī)律等，為了選定技術(shù)參數(shù)提供依據(jù)。試驗孔孔位由甲、乙方協(xié)商確定，一般選擇隧道中部為宜。

根據(jù)實際情況，遵循以盡量減少地層擾動，便于施工、互不干擾等原則，建議施工順序為：先上后下，先易后難。

其主要工序為：

（1）工作井設(shè)置

在擬設(shè)管棚兩端位置，先開挖管棚施工工作井，利用工作井，提前進行管棚頂進和注漿工序，使管棚施工不占用掘進時間，在保證質(zhì)量和安全的前提下，得到節(jié)約工期的目的。前端的工作井安置卷揚機及定向輪，負責鋼管的定向拉進；后端的工作井除安置水平導向鉆機外，預(yù)先澆筑用于鋼管頂進作業(yè)的千斤頂后背及頂進操作臺。

（2）采用FDP-28B水平定向管棚鉆機，鉆桿前端安裝導向?qū)Ｓ勉@頭（內(nèi)裝有導向探頭）。采用美國月食導向儀，隨導向鉆進加尺（當方位角、傾角、深度偏離設(shè)計導向軌跡時，隨時糾偏）將鉆桿依次打入，直至達到預(yù)定位置。根據(jù)地貌情況，棚管直接用Φ159×8mm棚管做鉆桿，形成滿眼鉆進，有效的約束鉆頭，減小或防止鉆具偏斜。隨鉆進加尺將棚管一次打入，成孔與棚管埋設(shè)一次完成。

（3）管棚施工

精確測量定位后，首先在拱頂上部中間位置利用水平導向鉆機打設(shè)φ73的水平孔。要求此類導向孔的導向精度控制在20cm以內(nèi)。導向孔完成后，根據(jù)水平孔的精度，分析是否進行擴孔作業(yè)，擴孔作業(yè)要采用擠擴的方法，不能采用通常水循環(huán)大擴孔方法，避免引起地層擾動，導致地表沉降。擴孔完成后采用前拉后頂?shù)姆椒?，在前部用卷揚機通過安放在前面的定向輪拉住φ159管棚鋼管，以前端拉力為主，將φ159鋼管拉入，在拉入時，可能會遇到回填不均勻的硬地層引起卡管現(xiàn)象，這時用后部千斤頂，在鋼管后部施以頂力使鋼管順利通過，直至將鋼管拉出對面掌子面。第一根鋼管施工完成后，進行第二根施工，直至全部鋼管鋪設(shè)完成。

封閉鋼管尾部：先用麻布條封堵管棚鉆孔空隙，后用環(huán)形楔環(huán)頂緊，最后用電焊將楔形環(huán)焊接在管棚上。

（4）"有線儀器導向、一次性跟管鉆進"工法管棚施工示意圖

a用水平導向儀及鉆具前端的探頭可以監(jiān)控鉆頭位置的水平角度，如有偏差采用不旋轉(zhuǎn)頂進方式糾正鉆頭角度，從而達到調(diào)整鉆進軌跡（垂向），保證棚管打設(shè)滿足設(shè)計要求。

b導向儀的選擇：導向的精度直接影響管棚打設(shè)精度，導向儀精度高打設(shè)精度就高。超出70米打設(shè)長度一般采用進口導向儀才能保證打設(shè)精度，通過多年施工驗證，美國生產(chǎn)的月蝕導向儀更適合長大管棚的打設(shè)。

c直接用φ159×8mm棚管做鉆桿，形成滿眼鉆進，有效地約束鉆頭，減小或防止鉆具偏斜。隨鉆進加尺將棚管依次打入，成孔與棚管埋設(shè)一次完成。

d打設(shè)水平鋼管的機械，可架設(shè)在我司自行研制的可升降行走的平臺上，該工作臺可水平行走和垂直升降,并能調(diào)節(jié)水平方位角和垂直方向的仰俯角，工人操作安全可靠。

e高速公路地層，采用優(yōu)質(zhì)泥漿護壁工藝和循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)施，采用小泵量泥漿循環(huán)，通過鉆頭后部的單向閥與孔口密封裝置(密封盒)的控制，保證孔內(nèi)（環(huán)狀間隙）泥漿飽滿起到護壁防塌等作用（保壓）。泥漿采用定向鉆進專用高質(zhì)量膨潤土及外摻劑配制而成。

（5）管棚接長

管棚接長時先將前一根鋼管頂入鉆好的引導孔后再行連接。聯(lián)接器螺紋長度不小于15cm。將聯(lián)接器預(yù)先焊接在每節(jié)鋼管尾端，便于連接。第一根鋼管前段加工成尖錐狀，以利鋼管推進孔內(nèi)。相鄰孔內(nèi)管的接頭位置至少錯開3m，避免接頭在同一個斷面受力。基礎(chǔ)節(jié)管棚長度控制在10m左右（以便于搬移操作為準），接長部分每節(jié)控制在6～7m，每頂進一節(jié)接長一節(jié)，直至到設(shè)計長度。

（6）環(huán)狀及管內(nèi)注漿

施工前做注漿試驗，以確定合理的注漿參數(shù)；對富水地段，管棚注漿采用水泥、水玻璃雙液注漿；對于非富水段，采用注單液水泥漿，具體在施工中可根據(jù)實際地質(zhì)情況、裂隙水發(fā)育情況決定注漿類型。注漿壓力2.5Mpa。

a徹底沖洗鉆孔，保持孔內(nèi)均勻充滿泥漿液；盡量減少孔內(nèi)殘余鉆渣。

b注漿要求：穩(wěn)定、流暢、不得中斷、連續(xù)注漿，孔口出水泥漿后，封住孔口，然后再加壓注漿1－3次；（加壓不得超過0.6Mpa）。

c注漿時，可根據(jù)孔內(nèi)情況，來回旋轉(zhuǎn)或拉動鉆具，一邊注漿一邊放氣，以保證管外"環(huán)狀間隙"注漿飽滿。

d預(yù)先計算出注漿量，注漿時不得小于計算的注漿量。

e注漿漿液擬采用水泥漿，其具有可灌性好、沉淀析水緩慢、滲透性較好，與一般土層有較好的親合力。易與周圍土層、棚管形成整體結(jié)構(gòu)性能。

4、施工注意事項

(1)臺支撐要著實地，連接要牢固、穩(wěn)定。防止在施鉆時鉆機產(chǎn)生不均勻下沉、擺動、位移等影響鉆孔質(zhì)量。

(2)鉆機定位：鉆機要求必須精確核定鉆機位置。用經(jīng)緯儀、掛線、鉆桿導向相結(jié)合的方法，反復調(diào)整，確保鉆機鉆桿軸線與管軸線相吻合。c鉆進過程中全程用導向儀測定位置，并根據(jù)鉆機鉆進的現(xiàn)象及時判斷成孔質(zhì)量，并及時處理鉆進過程中出現(xiàn)的事故。

(3)鉆進過程中確保動力器，扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進。

(4)認真作好鉆進過程的原始記錄 (包括導向記錄)，及時對孔口巖屑進行地質(zhì)判斷、描述。作為開挖洞身的地質(zhì)預(yù)探預(yù)報，作為指導洞身開挖的依據(jù)。

(5)嚴格控制鉆進速度，采用低速鉆進。必要時用拉管機將鉆管拉回注漿，待固結(jié)后重打，要24h觀察地面情況，發(fā)現(xiàn)問題立即處理：

(6)水平定向鉆進時，每打設(shè)一根鉆桿檢測1～2次是否偏斜，如有偏斜及時校正；

(7)如果出現(xiàn)回填物使鉆桿不按預(yù)設(shè)路徑鉆進，可反復旋轉(zhuǎn)進退，將回填物破除。如仍不能清除，可撤回鉆桿，用氣動潛孔錘清除，然后繼續(xù)鉆進。

(8)為避免引起地面沉降，要保證實際出土不能大于理論出土值，盡量減少對地層的擾動。因此擴孔直徑不能大于159mm，盡量控制出土量和用水量，同時，盡量減少對地層的擾動。

5、應(yīng)急處理預(yù)案：

5.1 施工前詳細了解地下障礙物（市政管線、軍用通信、人防工程等）分布情況、最大埋深。根據(jù)調(diào)查結(jié)果做出相應(yīng)防范措施。

5.2 鉆孔涌水涌泥砂（應(yīng)急預(yù)備方案）：通過鉆進過程中對涌水涌砂的嚴重性進行評估。如有必要及時上報有關(guān)領(lǐng)導與設(shè)計部門，商討采取有效預(yù)防涌沙措施。為預(yù)防鉆進過程中出現(xiàn)涌水涌泥沙事故：

（1）孔口管的安裝必須嚴格按要求進行，麻片纏繞要認真，松緊度、均勻度、厚度都要控制好。與砼內(nèi)襯墻連接固定要牢固、有效。

（2）孔口球閥，密封盒質(zhì)量要合格，安裝前認真檢查。

5.3 鉆進中出現(xiàn)地下水泥沙涌出時：

（1）壓緊密封裝置的壓蘭；適當改小泵送水量；

（2）如發(fā)現(xiàn)地下水壓力太大，可迅速加固孔口管；增加漲管螺栓和爪片數(shù)量，以便加固孔口管，防止孔口管外移。

5.4 孔內(nèi)事故的處理：

鉆進中發(fā)現(xiàn)孔斜明顯超標（限）：查明原因，采取有效糾偏措施，例如：調(diào)整鉆機角度或補打棚管等。為預(yù)防縮孔，抱鉆等：

（1）嚴格控制泵壓、泵量，泵工時刻觀察沖洗液消耗量及循環(huán)狀況，避免出現(xiàn)"干鉆"。

（2）鉆進中途應(yīng)避免隨意停鉆（例如用餐、交接班等），必須停鉆時盡量壓縮停鉆時間。

（3）斷鉆桿事故：備有必要的打撈工具。

6、實施效果

通過對高速公路設(shè)置路面沉降點觀測，路面最大沉降量為80mm，控制了地表沉降，隧道順利地穿越了高速公路，取得了很好的效果。

[1]王曉興.水工隧洞超長大管棚支護施工技術(shù).深圳市東江水源工程管理處.廣東深圳 [期刊]廣東水利水電，2006-10-30.